(57)【要約】【課題】臨界的な溶接シームの妨害されない検査が非破壊検査法によって製作時に簡単に可能となる、互いに溶接された個々の複数のエレメントから形成されたロータならびにこのようなロータを製作するための方法を提供する。【解決手段】第１のロータディスク１３と第２のロータディスク１２，１４との間に、耐熱性の鋼から成る第１のロータリング１５，１６が介挿されており、該第１のロータリング１５，１６が、一方の側で第２のロータディスク１２，１４に溶接されていて、他方の側で、全周にわたって延びる溶接シーム２１，２１′，２６を介して第１のロータディスク１３に結合されているようにした。【選択図】図４
2005121023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱的な機械、特に蒸気タービンまたはガスタービンに用いられるロータ（１０）であって、当該ロータ（１０）が、ロータ軸（１１）に相前後して配置された、互いに溶接される複数のロータディスク（１２，１３，１４）を有しており、当該ロータ（１０）の、熱的に特に負荷される区分に配置された少なくとも１つの第１のロータディスク（１３）が、耐熱性のニッケル基合金から成っていて、隣り合って位置する少なくとも１つの第２のロータディスク（１２，１４）に溶接されており、該第２のロータディスク（１２，１４）が、耐熱性の鋼から成っている形式のものにおいて、第１のロータディスク（１３）と第２のロータディスク（１２，１４）との間に、耐熱性の鋼から成る第１のロータリング（１５，１６）が介挿されており、該第１のロータリング（１５，１６）が、一方の側で第２のロータディスク（１２，１４）に溶接されていて、他方の側で、全周にわたって延びる溶接シーム（２１，２１′，２６）を介して第１のロータディスク（１３）に結合されていることを特徴とする、熱的な機械に用いられるロータ。
【請求項２】
全周にわたって延びる溶接シーム（２１，２１′，２６）が、溶加材としてニッケル基合金を含有している、請求項１記載のロータ。
【請求項３】
第１のロータディスク（１３）が、析出硬化されたニッケル基合金から成っており、第１のロータリング（１６）と第１のロータディスク（１３）との間に、溶体化処理されたニッケル基合金から成る第２のロータリング（１７）が介挿されていて、第１のロータディスク（１３）と第１のロータリング（１６）とに、それぞれ全周にわたって延びる溶接シーム（２１′，２６）によって溶接されている、請求項１または２記載のロータ。
【請求項４】
第２のロータリング（１７）と第１のロータディスク（１３）との間のもしくは第２のロータリング（１７）と第１のロータリング（１６）との間の、全周にわたって延びる溶接シーム（２１′，２６）が、溶加材としてニッケル基合金を含有している、請求項３記載のロータ。
【請求項５】
請求項１記載のロータを製作するための方法において、第１のステップで、第１のロータリング（１５，１６）を第１のロータディスク（１３）に結合し、第２のステップで、第１のロータリング（１５，１６）を第１のロータディスク（１３）に結合する全周にわたって延びる溶接シーム（２１，２６）を非破壊材料検査法によって、特に超音波および／またはＸ線放射線を使用して内部および／または外部から検査し、第３のステップで、第１のロータリング（１５，１６）の自由な側を第２のロータディスク（１２，１４）に溶接技術的に結合することを特徴とする、ロータを製作するための方法。
【請求項６】
第１のロータリング（１５，１６）を第１のロータディスク（１３）に溶接する前に、まず、第２のロータリング（１７）を第１のロータディスク（１３）に溶接し、次いで、第２のロータリング（１７）を第１のロータディスク（１３）に結合する全周にわたって延びる溶接シーム（２１′）を非破壊材料検査法によって、特に超音波および／またはＸ線放射線を使用して内部および／または外部から検査し、その後、両ロータリング（１６，１７）の溶接によって、第１のロータリング（１６）を第１のロータディスク（１３）に結合する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
第１のロータディスク（１３）を第１もしくは第２のロータリング（１５，１６；１７）に溶接するために、まず、のちの溶接シーム（２１，２１′）の領域に、溶接可能性を助成する中間層（１９，１９′）を、特に肉盛溶接によって被着する、請求項５または６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱的な回転機械の分野に関する。本発明は、熱的な機械、特に蒸気タービンまたはガスタービンに用いられる溶接されたロータであって、当該ロータが、ロータ軸に相前後して配置された、互いに溶接される複数のロータディスクを有しており、当該ロータの、熱的に特に負荷される区分に配置された少なくとも１つの第１のロータディスクが、耐熱性のニッケル基合金から成っていて、隣り合って位置する少なくとも１つの第２のロータディスクに溶接されており、該第２のロータディスクが、耐熱性の鋼から成っている形式のものに関する。さらに、本発明は、このようなロータを製作するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような形式のロータは、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１１２０６２号明細書に基づき公知である。
【０００３】
臨界的な構成要素、たとえば高温蒸気プラントに用いられる鍛造されたロータまたは管または鋳造されたハウジングまたは７００℃よりも高い運転温度を備えたガスタービンまたは別のターボ機械の構成要素は、この温度における所要の機械的な強度および耐クリープ性を備えたニッケル基合金から製作されなければならない。
【０００４】
まず、高温鋼の使用範囲を上回る温度の場合にこのようなニッケル基合金が選択される。このニッケル基合金は、一般的に１０００℃付近の温度での溶体化処理および後続の冷却によって所望の高温特性を簡単に達成することをニッケル基合金に許容する化学的な組成を有している。
【０００５】
一層高い運転温度では、一層複雑なニッケル基合金が必要となる。このニッケル基合金は、一層高い温度（一般的には７５０℃よりも高い温度）で所要の機械的な強度および耐クリープ性を有している。この合金は一層複雑な組成を有している。この組成は、安定した析出物の形成によって所望の特性を達成することを合金に可能にする。このような析出物は、析出硬化に関連した熱処理によって形成される。この熱処理は先行の溶体化処理に続いていて、一般的に７００〜９００℃の間の温度範囲で実施される。
【０００６】
このような析出硬化可能なニッケル基合金は７００℃よりも十分に高い温度範囲での使用に対する所望の特性を有しているものの、にもかかわらず、一連の欠点：すなわち、
・このニッケル基合金は、製造装置の不足および製作の間の亀裂形成の傾向のため、大きなロータ、管またはハウジングのために必要となるサイズに製作および加工することができない。
・合金の広域の凝固範囲のため、この合金は、その使用を不可能にする恐れのある凝固亀裂を形成することなしに溶接することが難しい（たとえば：Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｌｉｅｇｅ、２４〜２７  １９９０年９月、第１３０９頁、第１４６１頁、第１４７１頁および第１４８１頁参照）。
・特に、溶接の間に生ぜしめられる異なる膨張を補償する材料能力が僅かなため、完全に硬化された材料の溶接が亀裂形成を促進する。
・合金が、析出反応によって耐熱性を生ぜしめる付加された成分のため高価である。
を有している。
【０００７】
しばしば、運転中に高い温度で負荷される大きな構成要素、たとえばロータ、ハウジングまたはこれに類するものには、運転温度が最も高い領域ならびに運転温度が、最も高い運転温度を著しく下回る領域が存在している。このような事例に対して、すでに長い間、運転温度分布と合致して、構成要素を、各区分の運転温度に適合された材料から成る複数の部分区分から形成（溶接）することが提案された。
【０００８】
したがって、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９５３０７９号明細書に基づき、１つの構成要素を形成するために、高合金化された耐熱性のマルテンサイト鋼／フェライト鋼、オーステナイト鋼またはニッケルベース、ニッケル−鉄ベースおよびコバルトベースの超合金から成る２つの構成部材を互いに溶接することが公知である。この場合、少なくとも一方の構成部材が結合領域で、まず、ニッケルベースの溶加材でめっきされ、その後、めっきされた材料が品質熱処理され、最後に、両構成部材が、同一の溶加材を使用して互いに溶接される。詳しく説明する実施例では、ＩＮ７０６（インコネル７０６）から成る第１の構成部材、たとえば（複数のディスクから形成された）ロータの１つのディスクが、溶体化処理された状態において、ワイヤを用いたサブマージアーク溶接によって溶加材ＳＧ−ＮｉＣｒ２０Ｎｂでめっきされる。次いで、めっきされたＩＮ７０６ディスクが、品質のために必要となる熱処理にさらされる（８２０＋／−１５℃での安定化熱処理、室温への冷却、７３０＋／−１５℃での析出硬化、室温への冷却）。その後、めっきされたＩＮ７０６ディスクが、高合金化されたマルテンサイト鋼／フェライト鋼Ｓｔ１３ＴＮｉＥＬから成るめっきされた別のディスクに溶接される。この場合、ルート層はＷＩＧ溶接によって被着され、補強層はサブマージアーク溶接によって被着される。次いで、溶接された構成部材が６１０＋／−１５℃で、応力が僅かとなるように熱処理される。
【０００９】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１１２０６２号明細書には、特にターボ機械のために設けられた、熱的に異なる形式で負荷される２つの部材を溶接するための方法が提案される。この場合、第１の部材は鋼から成っており、第２の部材はニッケル基合金から成っている。この方法では、溶接前に、まず、ニッケル基合金から成る第２の部材に中間層が被着される。この中間層では内部から外部に向かって、ニッケル基合金に存在する、亀裂形成に影響を与える付加的な成分が累進的に減少する。第２の部材は、有利にはＩＮ６２５（インコネル６２５）から成っている。複数の個別層から形成された中間層は、有利にはＩＮ６１７（インコネル６１７）から成っている。
【００１０】
特に、大きな蒸気タービンまたはガスタービンのロータでは、個々のロータディスクの間の溶接シームの品質がロータの機械的な特性に対して重要となる。したがって、溶接シームを非破壊検査法、たとえば超音波検査またはＸ線検査によって可能な限り精密にかつ高い分解能で欠陥に対して検査することが非常に重要となる。ロータが専ら、互いに溶接された個々のロータディスクから形成される場合には、全周にわたって延びる溶接シームを妨害されずに外部からしか検査することができない。なぜならば、隣り合って位置するロータディスクの間の中間室が、外部に対して閉鎖された中空室を形成しているからである。確かに、溶接されたロータにおいて、溶接シームの中空室側の検査のために、中空室に通じる検査開口を設けることがすでに提案された（たとえばアメリカ合衆国特許第６１５２６９７号明細書参照）。しかし、この検査開口は、極めて制限された接近しか許容しない。この接近は超音波検査およびＸ線検査のために適していない。
【００１１】
両側からの溶接シームの検査は、特に溶加材としてニッケル基合金を含有している溶接シームの超音波検査の場合に必要となる。なぜならば、超音波パルスがこの溶接シームで比較的激しく弱化されるからである。Ｘ線検査の場合には、一方の側にＸ線源をかつ他方の側に所属の撮影装置、たとえばＸ線フィルムまたはこれに類するものを配置するために、妨害されない両側の接近が必要となる。
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１１２０６２号明細書
【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９５３０７９号明細書
【特許文献３】アメリカ合衆国特許第６１５２６９７号明細書
【非特許文献１】Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の課題は、臨界的な溶接シームの妨害されない検査が非破壊検査法によって製作時に簡単に可能となる、互いに溶接された個々の複数のエレメントから形成されたロータならびにこのようなロータを製作するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題を解決するために本発明の構成では、第１のロータディスクと第２のロータディスクとの間に、耐熱性の鋼から成る第１のロータリングが介挿されており、該第１のロータリングが、一方の側で第２のロータディスクに溶接されていて、他方の側で、全周にわたって延びる溶接シームを介して第１のロータディスクに結合されているようにした。
【００１４】
さらに、この課題を解決するために本発明の方法では、第１のステップで、第１のロータリングを第１のロータディスクに結合し、第２のステップで、第１のロータリングを第１のロータディスクに結合する全周にわたって延びる溶接シームを非破壊材料検査法によって、特に超音波および／またはＸ線放射線を使用して内部および／または外部から検査し、第３のステップで、第１のロータリングの自由な側を第２のロータディスクに溶接技術的に結合するようにした。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の核は、ニッケル基合金および鋼から成る隣り合って位置する２つのロータディスクの間に、両ロータディスクに溶接される１つのロータリングを介挿することにある。この介挿されたロータリングは、まず、ニッケル基合金から成るロータディスクに片側で溶接することができる。この場合、全周にわたって延びる臨界的な溶接シームが形成される。この溶接シームは精密に検査されなければならない。ロータリングによって取り囲まれた内室が他方のロータディスクの溶接によってまだ閉鎖されていない限り、全周にわたって延びる臨界的な溶接シームを、一方の側に向かって開放した内室に基づき、内部および外部から妨害されずに検査することができる。このことは、本発明の有利な構成によれば、全周にわたって延びる溶接シームが、溶加材としてニッケル基合金を含有している場合に特に重要となる。
【００１６】
特に高い運転温度のために適した本発明の別の構成は、第１のロータディスクが、析出硬化されたニッケル基合金から成っており、第１のロータリングと第１のロータディスクとの間に、溶体化処理されたニッケル基合金から成る第２のロータリングが介挿されていて、第１のロータディスクと第１のロータリングとに、それぞれ全周にわたって延びる溶接シームによって溶接されていることによって特徴付けられている。ここでも、第２のロータリングと第１のロータディスクとの間のもしくは第２のロータリングと第１のロータリングとの間の、全周にわたって延びる溶接シームが、溶加材として、有利にはニッケル基合金を含有している。
【００１７】
本発明による方法の有利な実施態様は、第１のロータリングを第１のロータディスクに溶接する前に、まず、第２のロータリングを第１のロータディスクに溶接し、次いで、第２のロータリングを第１のロータディスクに結合する全周にわたって延びる溶接シームを非破壊材料検査法によって、特に超音波および／またはＸ線放射線を使用して内部および／または外部から検査し、その後、両ロータリングの溶接によって、第１のロータリングを第１のロータディスクに結合することによって特徴付けられている。
【００１８】
別の実施態様は従属請求項から明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。
【００２０】
図１ａには、ロータ軸線１１に沿った縦断面図における一部に並置されて、種々異なる個々のエレメント１２，１３，１４，１５，１６，１７が示してある。これらのエレメント１２〜１７が有利な実施例により溶接されて、ロータ１０が形成されている。種々異なるエレメントは、（円形の）３つのロータディスク１２，１３，１４と、（円形の）３つのロータリング１５，１６，１７とを有している。これらのロータリング１５，１６，１７はロータディスク１２，１３，１４の間に配置されている。図示の例では、中央のロータディスク１３が材料Ａから成っている。この材料Ａは析出硬化可能なニッケル基合金である。このニッケル基合金は、一般的に、たとえば１０５０℃、８５０℃および７６０℃での３段階の熱処理にさらされる。材料Ａは、たとえばワスパロイ（登録商標）であってよい。別の両ロータディスク１２，１４とロータリング１５，１６とは材料Ｃから成っている。この材料Ｃは、特に１０％Ｃｒ鋼である。この１０％Ｃｒ鋼は、たとえば１０５０℃および７００℃での二段階の熱処理にさらされる。第３のロータリング１７は材料Ｂから成っている。この材料Ｂは、溶体化処理されたニッケル基合金である。このニッケル基合金は、たとえば１０５０℃での１回の熱処理にさらされる。材料Ｂは、たとえばＩＮ６１７（インコネル（登録商標）６１７）であってよい。材料Ｂ，Ｃは、図１に示したように、ロータリングとロータディスクとの間の溶接結合時の溶加材としても使用される。
【００２１】
図２〜図４には、図１ａに示したロータ１０の組立て時の製作ステップが示してある。このロータ１０では、中央のロータディスク１３しか材料Ａから成っていない。しかし、図１ｂによれば、中央のロータディスク１３の代わりに、中央のロータディスク１３と、このロータディスク１３に隣り合って位置するロータリング１８とから成るコンビネーションを設けることも可能である。両エレメント１３，１８は材料Ａから成っていて、溶接前に中間層１９，１９′；２０，２０′を装備する。
【００２２】
ロータ１０の製作時には、図２ａによれば、材料Ａから成る中央のロータディスク１３から出発される。このロータディスク１３は１０５０℃で溶体化処理されている。その後、のちの結合箇所に肉盛溶接によって、材料Ｂまたはこれに類するものから成る中間層１９，１９′が被着される（図２ｂ参照）。この中間層１９，１９′の肉盛溶接後、ロータディスク１３が一般的な８５０℃に保持され、これによって、溶接時に生ぜしめられた応力が減少し、析出硬化によって材料Ａの十分な強度がほぼ達成される。その後、ロータディスク１３が、図２ｃおよび図２ｄにより、隣り合ったロータリング１５，１７に溶接される。このロータリング１５，１７は材料Ｃもしくは材料Ｂから成っている。溶接過程のための溶加材として、タイプＢまたはこれに類する材料、たとえばＩＮ６１７が使用される。この材料はその十分な強度を、溶接時の溶融された状態からの冷却の間に達成する。
【００２３】
いま、形成された溶接シーム２１，２１′（図２ｄ参照）は、ロータリング１５，１７が、外部からまだ接近可能な中空室２２を取り囲んでいるので、外部からも内部からも接近可能である。このことは、溶接シームに非破壊検査法による精密な念入りの品質検査を施すために使用することができる。図３には、このことが、溶接シーム２１′に対してＸ線検査の例で示してある。Ｘ線源（Ｘ線管）２３がロータリング１７の中空室内に押し進められ、これによって、放出されたＸ線放射線が内部から外部に向かって溶接シーム２１′を半径方向で貫通し得る。この溶接シーム２１′の結像は、外部に配置されたＸ線撮影装置２４、たとえばＸ線フィルムによって撮影され、その後、評価され得る。Ｘ線源２３とＸ線撮影装置２４とは、図３の配置形式では、場所を交換することもできる。当然ながら、適宜な電子的な撮影・評価装置の使用も可能である。
【００２４】
しかし、ロータリングもしくは溶接シームの内側への妨害されない接近は、超音波検査法の使用時にも有利である。溶接シームが（ニッケルベースの）材料タイプＢの溶加材を含有している場合には、ロータのための所要の肉厚において、溶接シームにおける比較的高い吸音のため、十分な検査が、内側および外側から実施される場合にしか可能とならない。図４および図５には、超音波測定ヘッド２５による外側および内側からの溶接シーム２１′の超音波検査が示してある。同じくタイプＢの溶加材を含有した、両ロータリング１６，１７の間の次の溶接シーム２６も超音波によって内部および外部から検査することができる（破線で記入した超音波測定ヘッド参照）。この検査が成功に終わった場合に初めて、ロータリング１５，１６，１７によって取り囲まれた中空室２２を、材料Ｃから成る次のロータディスク１２，１４の溶接によって閉鎖することができる。この場合に形成された溶接シームはタイプＣの溶加材しか含有しておらず、したがって、難なく外部からのみ超音波によって検査することができる。
【００２５】
本発明の特徴および利点は以下のようにまとめることができる：
・特にロータの溶接時には、ロータディスクの代わりに、（内部で中空の）ロータリングを、材料Ａから成る、最も高い温度にさらされるロータディスクと、材料Ｂから成る後続のリングとに溶接することが有利であり、これによって、溶接シームがルートおよび上方（内部および外部）から検査のために接近可能となる。
・こうして、材料Ａと材料Ｂとの間の全ての溶接結合部を、高められた精度で、しかも、超音波法およびＸ線法によって非破壊検査することができる。これによって、より良好な欠陥発見分解能が得られる。
・このことは、ニッケル基合金が溶接材料として使用される場合の材料Ａと材料Ａとの間、材料Ａと材料Ｂとの間および材料Ｂと材料Ｃとの間の溶接結合時に特に有利である。なぜならば、ニッケル基合金としての溶接材料は、鋼溶接金属よりも大きな超音波減衰のため、ただ一方の側から検査し難いからである。
・熱的により少なく負荷される場所（下流側）では、材料Ｃから成るロータディスクとロータリングとの間の溶接結合部を鋼溶接金属（材料Ｃ）によって形成することができる（図１ａに示したエレメント１２とエレメント１５との間ならびにエレメント１４とエレメント１６との間の溶接結合部参照）。この溶接結合部は溶接後に一般的に６８０℃で熱処理され、超音波によって容易に外部からのみ検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１ａ】本発明の有利な実施例によるロータの、まだ溶接されていない部材の縦断面図であり、この場合、結合箇所に使用される溶加材が大文字（Ｂ，Ｃ）で特徴付けてある。
【００２７】
【図１ｂ】図１ａに示したロータの中央の部分に対する変化形を示す図である。
【００２８】
【図２ａ】図１に示したロータの製作時の中間段階までの第１のステップを示す図である。
【００２９】
【図２ｂ】図１に示したロータの製作時の中間段階までの第２のステップを示す図である。
【００３０】
【図２ｃ】図１に示したロータの製作時の中間段階までの第３のステップを示す図である。
【００３１】
【図２ｄ】図１に示したロータの製作時の中間段階までの第４のステップを示す図である。
【００３２】
【図３】図２ｄに示した中間段階における溶接シームのレントゲン写真検査を示す図である。
【００３３】
【図４】のちの中間段階における外部からの超音波検査を示す図である。
【００３４】
【図５】のちの中間段階における内部からの超音波検査を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ロータ、  １１  ロータ軸線、  １２，１３，１４  ロータディスク、  １５，１６，１７，１８  ロータリング、  １９，１９′，２０，２０′  中間層、  ２１，２１′  溶接シーム、  ２２  中空室、  ２３  Ｘ線源、  ２４  Ｘ線撮影装置、  ２５  超音波測定ヘッド、  ２６  溶接シーム
【図１ａ】
2005121023.tif 000003
【図１ｂ】
2005121023.tif 000004
【図２ａ】
2005121023.tif 000005
【図２ｂ】
2005121023.tif 000006
【図２ｃ】
2005121023.tif 000007
【図２ｄ】
2005121023.tif 000008
【図３】
2005121023.tif 000009
【図４】
2005121023.tif 000010
【図５】
2005121023.tif 000011